破壊寿命評価装置
【課題】ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、寿命予測精度及び実用性を向上する。
【解決手段】評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像を撮影する撮影手段と、電子後方散乱解析像を画像処理することにより試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、平均結晶粒径と評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、評価対象物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、破壊寿命の判定結果を出力する出力手段とを具備する。
【解決手段】評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像を撮影する撮影手段と、電子後方散乱解析像を画像処理することにより試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、平均結晶粒径と評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、評価対象物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、破壊寿命の判定結果を出力する出力手段とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破壊寿命評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラー管やガスタービンエンジンの動翼等、高温・高応力に曝される金属部品には、経年劣化による疲労破壊やクリープ破壊等が生じる恐れがある。従って、このような金属部品の破壊寿命を正確且つ定量的に予測することは、当該金属部品の検査や交換等の時期を計画する上で非常に重要である。
【０００３】
従来では、クリープ破壊寿命を定量的に評価する方法として、所定の使用時間の経過毎に、金属部品の表面組織のレプリカを採取し、当該表面組織の時間的変化を検査することで余寿命を予測する方法や、ラーソン・ミラー曲線に基づいてクリープ破壊寿命を予測し、上記金属部品の使用時間が予測されたクリープ破壊寿命に到達すると、金属部品の検査対象領域において発生した空孔（ボイド）の面積率の検査を行い、事前に実験より求めたボイド面積率と寿命消費率との関係を示す特性曲線に基づいて余寿命を予測する方法等が知られている。
【０００４】
しかしながら、例えば、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼等の高Ｃｒ系材料からなる金属部品の場合、上記のようなクリープによる表面組織の変化が非常に微細であるため、レプリカを採取して表面組織の時間的変化を検査することができず、また、ボイドも金属部品内部には発生するが、表面には発生しないという問題がある。このような問題を解決するために、例えば、特開２００５−２４３８９号公報には、ＥＢＳＰ（Electron Back Scatter Diffraction Pattern）法を用いて、金属部品における特定の結晶粒について平均結晶方位差を測定し、事前に実験により求めたクリープ環境下での平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線（図７参照）に基づいて余寿命を予測する技術が開示されている。
特に、母材と溶接継手部との溶接部分には溶接熱影響部が生じ、一般的にクリープ破壊はこの溶接熱影響部にて発生すると考えられているが、今までにその組織の複雑さから、評価方法が検討されていなかった。
【特許文献１】特開２００５−２４３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来技術のように、ＥＢＳＰ法を用いて平均結晶方位差を測定する場合、試料表面の研磨状態や、測定装置に設けられたチャンバの真空度、測定装置の振動等、各種測定条件のバラツキによって、平均結晶方位差の測定値が大きく変動し、再現性の確保が困難であるという問題がある。従って、平均結晶方位差の再現性を確保するためには、研究所に匹敵する施設にて測定を行う必要があり、現場レベルでの対応が難しく、実用性に乏しかった。
【０００６】
また、図７に示す平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線を用いたクリープ破壊寿命の予測において、最も重要な情報は、寿命消費率４０％以降の特性である。しかしながら、図７からわかるように、寿命消費率４０％〜６０％の間において、平均結晶方位差の時間的変化はほとんどなく、およそ６０％〜８０％の間では大きな変化があるものの、およそ８０％〜１００％の間では緩やかな変化しかない。よって、測定した平均結晶方位差の変化に対する応答性が悪く、寿命予測精度が低いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、寿命予測精度及び実用性の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第１の解決手段として、評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、前記試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像を撮影する撮影手段と、当該撮影手段によって撮影された電子後方散乱解析像を画像処理することにより前記試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、前記結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、当該破壊寿命判定手段による破壊寿命の判定結果を出力する出力手段とを具備する、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手
段において、前記画像処理手段は、前記試料の所定領域における結晶方位差が１５°以上
の結晶粒界分布を生成し、前記平均結晶粒径算出手段は、前記結晶方位差が１５°以上の
結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出し、前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、
前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布に基づいて得られる平均結晶粒径と前記評価
対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された
平均結晶粒径とに基づいて前記評価対象物の破壊寿命を判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第
２の解決手段において、前記評価対象物は、高Ｃｒ系材料の溶接継手部であることを特徴とする
【００１１】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜３いず
れかの解決手段において、前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物のクリープ破壊寿命を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、寿命消費率に対する時間的変化の大きい平均結晶粒径に基づいて破壊寿命を予測するため、従来と比べて精度良く、評価対象物の破壊寿命を予測することが可能である。また、上記のような平均結晶粒径は、試料表面の研磨状態や、破壊寿命予測装置に設けられたチャンバの真空度、破壊寿命予測装置の振動等、各種測定条件のバラツキに依存しない再現性の高いパラメータであるので、現場レベルでの対応が可能であり、実用性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る破壊寿命評価装置の構成概略図である。この図に示すように、本破壊寿命評価装置は、ＰＣ（Personal Computer）１、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）制御ユニット２、電子線照射部３、真空チャンバ４、試料用ステージ５、ステージ制御ユニット６、カメラ７及びカメラ制御ユニット８から構成されている。また、符号Ｘは、例えば改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼（高Ｃｒ系材料）からなるボイラー管の溶接継手部（評価対象物）の切片であり、実際にプラントの配管として使用されているボイラー管において、クリープ破壊の恐れがある溶接継手部の検査対象領域から試料として採取したものである。
【００１４】
ＰＣ１は、図１に示すように、画像処理部１ｂ、平均結晶粒径算出部１ｃ及び破壊寿命判定部１ｄを内部に備える制御部１ａ、記憶部１ｅ及び表示部１ｆ（出力手段）から構成されている。制御部１ａは、記憶部１ｅに予め記憶されているＥＢＳＰ法用の制御プログラムに基づいて、画像処理部１ｂ、平均結晶粒径算出部１ｃ、破壊寿命判定部１ｄ、ＳＥＭ制御ユニット２、ステージ制御ユニット６及びカメラ制御ユニット８を制御する。
【００１５】
画像処理部１ｂは、制御部１ａの制御の下、カメラ制御ユニット８から入力される画像信号、つまりカメラ７によって撮影された電子後方散乱解析像をＥＢＳＰ法に基づいて画像処理し、試料Ｘ上の所定領域において電子線が照射された位置（照射ポイント）の結晶方位を判定すると共に、電子線が走査上に照射された試料Ｘ上の各照射ポイント毎に得られた結晶方位を、当該各照射ポイントの位置情報と共に順次記憶部１ｅに記憶させる。さらに、画像処理部１ｂは、記憶部１ｅに記憶された上記各照射ポイントの位置情報と、当該位置情報に対応する結晶方位とに基づいて、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界の分布データを生成し、当該結晶粒界分布データを平均結晶粒径算出部１ｃに出力する。
【００１６】
平均結晶粒径算出部１ｃは、制御部１ａの制御の下、上記結晶粒界分布データに基づいて、試料Ｘの所定領域に存在する結晶粒の平均結晶粒径を算出し、当該平均結晶粒径を示す平均結晶粒径信号を破壊寿命判定部１ｄに出力する。
【００１７】
破壊寿命判定部１ｄは、制御部１ａの制御の下、上記平均結晶粒径信号と、記憶部１ｅに予め記憶されている、平均結晶粒径とボイラー管の溶接継手部のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線（以下余寿命曲線という）データとに基づいて、上記ボイラー管の溶接継手部のクリープ破壊寿命を判定する。より具体的には、上記余寿命曲線は、図２に示すように、平均結晶粒径と寿命消費率との関係を示すものであり、破壊寿命判定部１ｄは、平均結晶粒径算出部１ｃにて算出された平均結晶粒径と、図２の余寿命曲線とに基づいて、クリープ破壊に至るまでの余寿命を判定し、当該余寿命を表示部１ｆに表示させるための、余寿命表示信号を表示部１ｆに出力する。なお、上記余寿命曲線は、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管の溶接継手部を使用したクリープ破壊試験から事前に求められているものである。
【００１８】
記憶部１ｅは、制御部１ａが実行するＥＢＳＰ法用の制御プログラムや他のシステムプログラム等を予め記憶すると共に、画像処理部１ｂの要求に応じて、電子線が走査上に照射された試料Ｘ上の各照射ポイント毎に得られた結晶方位を当該各照射ポイントの位置情報と共に記憶する。また、この記憶部１ｅは、図２に示す余寿命曲線データを予め記憶しており、破壊寿命判定部１ｄの要求に応じて、上記余寿命曲線データを破壊寿命判定部１ｄに出力する。表示部１ｆは、例えば液晶モニタであり、破壊寿命判定部１ｄから入力される余寿命表示信号を基に、ボイラー管の溶接継手部がクリープ破壊に至るまでの余寿命を表示する。
【００１９】
ＳＥＭ制御ユニット２は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、電子線照射部３の電子線照射動作を制御する。より具体的には、ＳＥＭ制御ユニット２は、電子線の照射エネルギ、照射タイミング、走査方向等を制御するものである。電子線照射部３は、電子銃３ａ、電子レンズ３ｂ、対物レンズ３ｃ及び走査コイル３ｄから構成されている。電子銃３ａは、ＳＥＭ制御ユニット２による制御の下、所定の加速電圧によって電子線を電子レンズ３ｂに出射する。電子レンズ３ｂは、電子銃３ａから入射された電子線を収束させて対物レンズ３ｃに出射する。対物レンズ３ｃは、電子レンズ３ｂから入射された電子線が試料Ｘ上で焦点を結ぶように当該電子線を試料Ｘ上の照射ポイントに照射する。上記電子レンズ３ｂと対物レンズ３ｃとの間には走査コイル３ｄが設けられており、当該走査コイル３ｄは、ＳＥＭ制御ユニット２の制御の下、対物レンズ３ｃに対する電子線の入射方向を変化させる。これにより電子線は、走査状に試料Ｘに照射されることになる。
【００２０】
真空チャンバ４は、上記電子線照射部３の直下に連結され、図示しない真空ポンプによって内部気圧を高真空状態まで降下可能なチャンバであり、試料用ステージ５及びカメラ７を内部に備えている。試料用ステージ５は、試料Ｘを載せるための円盤形状のステージであり、図示しない５軸制御モータによって５軸方向に駆動可能に真空チャンバ４の内部に設けられている。ここで５軸とは、ＸＹＺ方向とＲ方向（つまり試料用ステージ５の回転方向）と、Ｔ方向（つまり試料用ステージ５の傾斜方向）を指す。ステージ制御ユニット６は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、上記試料用ステージ５（具体的には５軸制御モータ）の駆動制御を行う。つまり、ステージ制御ユニット６は、５軸制御モータの駆動を制御することにより、試料用ステージ５の傾斜角や回転角、ＸＹＺ座標を制御する。
【００２１】
カメラ７は、例えば高感度ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）カメラ等であり、真空チャンバ４内部において電子線の照射方向に対して略垂直に設けられ、カメラ制御ユニット８の制御の下、試料Ｘに電子線が照射されることによって生じる電子後方散乱解析像を撮影し、当該電子後方散乱解析像を示す画像信号をカメラ制御ユニット８に出力する。カメラ制御ユニット８は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、上記カメラ７の撮影タイミング、露光時間、焦点合わせ等の制御を行うと共に、カメラ７から入力される画像信号を画像処理部１ｂに出力する。
【００２２】
なお、本破壊寿命予測装置は従来のＳＥＭ装置を流用できるため、図示は省略したが、試料Ｘに電子線が照射されることで発生する２次電子を検出し、当該２次電子の発生量を輝度信号に変換してＰＣ１の制御部１ａに出力する２次電子検出部が真空チャンバ４内部に設けられており、制御部１ａは、当該２次電子検出部から入力される輝度信号に基づいてＳＥＭ画像を表示部１ｆに表示させる機能を備えている。
【００２３】
次に、このように構成された本破壊寿命予測装置を用いた破壊寿命予測処理手順について、図３のフローチャートを用いて以下説明する。
【００２４】
まず、所定の使用時間が経過したボイラー管の溶接継手部について、クリープ破壊の恐れがある検査対象領域の切片、つまり試料Ｘを採取する（ステップＳ１）。
ここで、溶接継手部の検査対象領域について説明する。例えば、図４に示すように、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管に溶接を施した場合、母材１０と溶接継手部１１との溶接部分には、溶接熱影響部（ＨＡＺ：Heat Affected Zone）１２が生じる。一般的に、クリープ破壊は、ＨＡＺ１２内に形成される細粒域１３において発生することが知られている。このような細粒域１３は、焼きならしマルテンサイト結晶粒及び焼き戻しマルテンサイト結晶粒が混在し、微細な組織構造となる領域であり、クリープボイドが発生しやすい。本実施形態では、検査対象領域を上記細粒域１３とし、当該細粒域１３から試料Ｘを採取する。実際の試験を行なう上では、ボイラー管外から表面部に出ているＨＡＺ１２から試料Ｘを採取して評価を行う。
【００２５】
続いて、試料Ｘの加工を行う（ステップＳ２）。ここで、試料Ｘの加工とは、まず、試料Ｘを試料用ステージ５に設置可能な大きさに切断した後、試料Ｘの表面に研磨もしくは電解研磨を施す。
【００２６】
次に、上記のように加工を終えた試料Ｘを試料用ステージ５に設置する（ステップＳ３）。具体的には、真空ポンプを操作して真空チャンバ４の内部を大気圧に戻し、試料挿入ロッドに試料Ｘを取り付け、真空チャンバ４に設けられた試料取入れ口（図示せず）より上記試料挿入ロッドを挿入し、試料Ｘを試料用ステージ５上に設置する。試料Ｘの設置が完了したら試料挿入ロッドを取り除き、真空ポンプを操作して真空チャンバ４の内部気圧を所定の気圧（高真空）まで降下させる。
【００２７】
続いて、電子線の照射開始位置を決定する（ステップＳ４）。この場合、本破壊寿命予測装置のＳＥＭ機能を用いる。つまり、電子線照射部３より電子線を試料Ｘに照射し、ＰＣ１の表示部１ｆに表示されるＳＥＭ画像を確認しながら所望の照射開始位置を決定する。ここで、５軸制御モータの操作により試料用ステージ５を、水平に対して７０°程度に傾斜させる。なお、本実施形態では、試料Ｘ上における電子線照射領域を２０μｍ×２０μｍの範囲とし、０．２μｍピッチで電子線を照射する。
【００２８】
そして、電子線の照射開始位置決定後、ＰＣ１においてＥＢＳＰ法用の制御プログラムを起動し、電子線の照射を開始する（ステップＳ５）。ＰＣ１（具体的には制御部１ａ）は、ＥＢＳＰ法用の制御プログラムに基づいてＳＥＭ制御ユニット２及びカメラ制御ユニット８を制御し、当該制御により電子線は上記電子線照射領域に０．２μｍピッチで走査状に照射され、当該照射によって生じる電子後方散乱解析像が各照射ポイント毎にカメラ７で撮影される。
【００２９】
カメラ７は、各照射ポイント毎に撮影した電子後方散乱解析像を示す画像信号をカメラ制御ユニット８を介して画像処理部１ｂに順次出力する。画像処理部１ｂは、上記のように入力される画像信号、つまり電子後方散乱解析像をＥＢＳＰ法に基づいて画像処理し、各照射ポイント毎の結晶方位を判定すると共に、当該結晶方位を各照射ポイントの位置情報と共に順次記憶部１ｅに順次記憶させる（ステップＳ６）。なお、上記電子線照射領域の大きさや走査ピッチ量は任意に設定可能である。
【００３０】
上記ステップＳ６において、電子線照射領域の全照射ポイントにおける結晶方位の判定が終了すると、画像処理部１ｂは、記憶部１ｅに記憶されている各照射ポイントの位置情報及び結晶方位を取得し、当該位置情報及び結晶方位を基に、電子線照射領域において、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界の分布データを生成し、当該結晶粒界分布データを平均結晶粒径算出部１ｃに出力する（ステップＳ７）。
【００３１】
図５に上記結晶粒界分布データの一例を示す。図５（ａ）は、初期状態、つまり未使用のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。図５（ｂ）は、寿命消費率６０％、つまりクリープ破壊寿命の６０％に相当する使用時間経過後のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。図５（ｃ）は、寿命消費率１００％、つまりクリープ破壊後のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。これらの図に示すように、クリープ環境下では、時間経過と共に、細粒域１３の結晶粒は大きくなる。つまり、結晶粒の大きさの変化とクリープ破壊寿命との間には、相関関係があることがわかる。
【００３２】
平均結晶粒径算出部１ｃは、上記のような結晶粒界分布データに基づいて、電子線照射領域における各結晶粒について結晶粒径（平均相当径）を算出し、これらを平均して平均結晶粒径を算出する（ステップＳ８）。そして、平均結晶粒径算出部１ｃは、当該平均結晶粒径を示す平均結晶粒径信号を破壊寿命判定部１ｄに出力する。
【００３３】
破壊寿命判定部１ｄは、上記平均結晶粒径信号と、記憶部１ｅに記憶されている図２に示す余寿命曲線データとに基づいて、クリープ破壊に至るまでの余寿命を判定する（ステップＳ９）。より具体的には、例えば、平均結晶粒径算出部１ｃにて算出された平均結晶粒径が４μｍであった場合、図２の余寿命曲線から寿命消費率は約６５％であることがわかる。つまり、クリープ破壊に至るまでのボイラー管の溶接継手部の余寿命は、クリープ破壊寿命の４５％と判定される。
【００３４】
破壊寿命判定部１ｄは、上記のように判定した余寿命を表示部１ｆに表示させるための、余寿命表示信号を表示部１ｆに出力する。表示部１ｆは、破壊寿命判定部１ｄから入力される余寿命表示信号を基に、ボイラー管の溶接継手部がクリープ破壊に至るまでの余寿命を表示する（ステップＳ１０）。
【００３５】
上記のように、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布データから平均結晶粒径を算出し、当該平均結晶粒径とクリープ破壊寿命との関係を示す余寿命曲線から余寿命を定量的に判定することができる。以下では、本実施形態において、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布データを求める理由について説明する。
【００３６】
図６は、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管を使用したクリープ破壊試験から得られた、結晶方位差が３°以上（符号２０）、１０°以上（符号２１）、１５°以上（符号２２）、３０°以上（符号２３）のそれぞれの結晶粒界分布について求めた余寿命曲線の実験データである。この図に示すように、結晶方位差が１５°以上の場合、特に必要な情報である寿命消費率４０％以降における平均結晶粒径の変化が最も大きい、すなわち、平均結晶粒径の変化に対する寿命消費率の応答性が良く、寿命予測精度が最も高い条件であることがわかる。
【００３７】
従って、本実施形態によれば、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、従来と比べて精度良く、評価対象物の余寿命、つまりクリープ破壊寿命を予測することが可能である。また、上記のような平均結晶粒径は、試料表面の研磨状態や、破壊寿命予測装置に設けられたチャンバの真空度、破壊寿命予測装置の振動等、各種測定条件のバラツキに依存しない再現性の高いパラメータであるので、現場レベルでの対応が可能であり、実用性の向上を図ることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
【００３９】
（１）上記実施形態では、評価対象物として、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管を例示して説明したが、これに限定されず、他の高Ｃｒ系材料からなる金属部品であれば本発明は適用可能である。また、高Ｃｒ系材料以外であっても、ＥＢＳＰ法でなければ確認できない程微細な組織構造をとり、且つクリープ破壊の進行に応じて、結晶粒径が変化するような材料であれば、本発明は適用可能である。
【００４０】
（２）上記実施形態では、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布から平均結晶粒径を算出したが、これに限定されず、図６に示す他の条件（結晶方位差が３°以上、１０°以上、３０°以上）を使用しても良い。これらの条件を使用した場合、余寿命の予測精度は若干低下するが、従来と比べた場合、図６に示すように、寿命消費率４０％以降における平均結晶粒径の変化が大きいので、予測精度の向上に寄与することができる。
また、上記結晶方位差は６２．８°以内であれば、これを使用しても良い。この６２．８°とは、ＥＢＳＰ法を行なうにあたっての最大角度θｍａｘであり、ＥＢＳＰ法における立方晶間の方位関係の傾向を示すＭａｃｋｅｎｚｉｅプロットにおける下記（１）式から求められる。
θｍａｘ＝ｃｏｓ−１｛（２＋√２）／４｝＝６２．８° ・・・・・（１）
【００４１】
（３）上記実施形態では、クリープに起因する破壊寿命を予測する場合について説明したが、これに限定されず、ＥＢＳＰ法でなければ確認できない程微細な組織構造をとり、且つ時間の経過と共に結晶粒径が変化するような特徴を有する破壊原因であれば、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置の構成概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置にて使用する余寿命曲線である。
【図３】本発明の一実施形態係る破壊寿命予測手順を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る評価対象物の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置にて得られる結晶粒界分布の一例である。
【図６】本発明の一実施形態に係る各種条件に対応する余寿命曲線の実験データである。
【図７】従来技術で使用される平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ＰＣ（Personal Computer）、１ａ…制御部、１ｂ…画像処理部、１ｃ…平均結晶粒径算出部、１ｄ…破壊寿命判定部、１ｅ…記憶部、１ｆ…表示部、２…ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）制御ユニット、３…電子線照射部、４…真空チャンバ、５…試料用ステージ、６…ステージ制御ユニット、７…カメラ、８…カメラ制御ユニット、Ｘ…試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破壊寿命評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラー管やガスタービンエンジンの動翼等、高温・高応力に曝される金属部品には、経年劣化による疲労破壊やクリープ破壊等が生じる恐れがある。従って、このような金属部品の破壊寿命を正確且つ定量的に予測することは、当該金属部品の検査や交換等の時期を計画する上で非常に重要である。
【０００３】
従来では、クリープ破壊寿命を定量的に評価する方法として、所定の使用時間の経過毎に、金属部品の表面組織のレプリカを採取し、当該表面組織の時間的変化を検査することで余寿命を予測する方法や、ラーソン・ミラー曲線に基づいてクリープ破壊寿命を予測し、上記金属部品の使用時間が予測されたクリープ破壊寿命に到達すると、金属部品の検査対象領域において発生した空孔（ボイド）の面積率の検査を行い、事前に実験より求めたボイド面積率と寿命消費率との関係を示す特性曲線に基づいて余寿命を予測する方法等が知られている。
【０００４】
しかしながら、例えば、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼等の高Ｃｒ系材料からなる金属部品の場合、上記のようなクリープによる表面組織の変化が非常に微細であるため、レプリカを採取して表面組織の時間的変化を検査することができず、また、ボイドも金属部品内部には発生するが、表面には発生しないという問題がある。このような問題を解決するために、例えば、特開２００５−２４３８９号公報には、ＥＢＳＰ（Electron Back Scatter Diffraction Pattern）法を用いて、金属部品における特定の結晶粒について平均結晶方位差を測定し、事前に実験により求めたクリープ環境下での平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線（図７参照）に基づいて余寿命を予測する技術が開示されている。
特に、母材と溶接継手部との溶接部分には溶接熱影響部が生じ、一般的にクリープ破壊はこの溶接熱影響部にて発生すると考えられているが、今までにその組織の複雑さから、評価方法が検討されていなかった。
【特許文献１】特開２００５−２４３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来技術のように、ＥＢＳＰ法を用いて平均結晶方位差を測定する場合、試料表面の研磨状態や、測定装置に設けられたチャンバの真空度、測定装置の振動等、各種測定条件のバラツキによって、平均結晶方位差の測定値が大きく変動し、再現性の確保が困難であるという問題がある。従って、平均結晶方位差の再現性を確保するためには、研究所に匹敵する施設にて測定を行う必要があり、現場レベルでの対応が難しく、実用性に乏しかった。
【０００６】
また、図７に示す平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線を用いたクリープ破壊寿命の予測において、最も重要な情報は、寿命消費率４０％以降の特性である。しかしながら、図７からわかるように、寿命消費率４０％〜６０％の間において、平均結晶方位差の時間的変化はほとんどなく、およそ６０％〜８０％の間では大きな変化があるものの、およそ８０％〜１００％の間では緩やかな変化しかない。よって、測定した平均結晶方位差の変化に対する応答性が悪く、寿命予測精度が低いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、寿命予測精度及び実用性の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第１の解決手段として、評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、前記試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像を撮影する撮影手段と、当該撮影手段によって撮影された電子後方散乱解析像を画像処理することにより前記試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、前記結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、当該破壊寿命判定手段による破壊寿命の判定結果を出力する出力手段とを具備する、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手
段において、前記画像処理手段は、前記試料の所定領域における結晶方位差が１５°以上
の結晶粒界分布を生成し、前記平均結晶粒径算出手段は、前記結晶方位差が１５°以上の
結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出し、前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、
前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布に基づいて得られる平均結晶粒径と前記評価
対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された
平均結晶粒径とに基づいて前記評価対象物の破壊寿命を判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第
２の解決手段において、前記評価対象物は、高Ｃｒ系材料の溶接継手部であることを特徴とする
【００１１】
また、本発明では、破壊寿命評価装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜３いず
れかの解決手段において、前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物のクリープ破壊寿命を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、寿命消費率に対する時間的変化の大きい平均結晶粒径に基づいて破壊寿命を予測するため、従来と比べて精度良く、評価対象物の破壊寿命を予測することが可能である。また、上記のような平均結晶粒径は、試料表面の研磨状態や、破壊寿命予測装置に設けられたチャンバの真空度、破壊寿命予測装置の振動等、各種測定条件のバラツキに依存しない再現性の高いパラメータであるので、現場レベルでの対応が可能であり、実用性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る破壊寿命評価装置の構成概略図である。この図に示すように、本破壊寿命評価装置は、ＰＣ（Personal Computer）１、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）制御ユニット２、電子線照射部３、真空チャンバ４、試料用ステージ５、ステージ制御ユニット６、カメラ７及びカメラ制御ユニット８から構成されている。また、符号Ｘは、例えば改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼（高Ｃｒ系材料）からなるボイラー管の溶接継手部（評価対象物）の切片であり、実際にプラントの配管として使用されているボイラー管において、クリープ破壊の恐れがある溶接継手部の検査対象領域から試料として採取したものである。
【００１４】
ＰＣ１は、図１に示すように、画像処理部１ｂ、平均結晶粒径算出部１ｃ及び破壊寿命判定部１ｄを内部に備える制御部１ａ、記憶部１ｅ及び表示部１ｆ（出力手段）から構成されている。制御部１ａは、記憶部１ｅに予め記憶されているＥＢＳＰ法用の制御プログラムに基づいて、画像処理部１ｂ、平均結晶粒径算出部１ｃ、破壊寿命判定部１ｄ、ＳＥＭ制御ユニット２、ステージ制御ユニット６及びカメラ制御ユニット８を制御する。
【００１５】
画像処理部１ｂは、制御部１ａの制御の下、カメラ制御ユニット８から入力される画像信号、つまりカメラ７によって撮影された電子後方散乱解析像をＥＢＳＰ法に基づいて画像処理し、試料Ｘ上の所定領域において電子線が照射された位置（照射ポイント）の結晶方位を判定すると共に、電子線が走査上に照射された試料Ｘ上の各照射ポイント毎に得られた結晶方位を、当該各照射ポイントの位置情報と共に順次記憶部１ｅに記憶させる。さらに、画像処理部１ｂは、記憶部１ｅに記憶された上記各照射ポイントの位置情報と、当該位置情報に対応する結晶方位とに基づいて、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界の分布データを生成し、当該結晶粒界分布データを平均結晶粒径算出部１ｃに出力する。
【００１６】
平均結晶粒径算出部１ｃは、制御部１ａの制御の下、上記結晶粒界分布データに基づいて、試料Ｘの所定領域に存在する結晶粒の平均結晶粒径を算出し、当該平均結晶粒径を示す平均結晶粒径信号を破壊寿命判定部１ｄに出力する。
【００１７】
破壊寿命判定部１ｄは、制御部１ａの制御の下、上記平均結晶粒径信号と、記憶部１ｅに予め記憶されている、平均結晶粒径とボイラー管の溶接継手部のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線（以下余寿命曲線という）データとに基づいて、上記ボイラー管の溶接継手部のクリープ破壊寿命を判定する。より具体的には、上記余寿命曲線は、図２に示すように、平均結晶粒径と寿命消費率との関係を示すものであり、破壊寿命判定部１ｄは、平均結晶粒径算出部１ｃにて算出された平均結晶粒径と、図２の余寿命曲線とに基づいて、クリープ破壊に至るまでの余寿命を判定し、当該余寿命を表示部１ｆに表示させるための、余寿命表示信号を表示部１ｆに出力する。なお、上記余寿命曲線は、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管の溶接継手部を使用したクリープ破壊試験から事前に求められているものである。
【００１８】
記憶部１ｅは、制御部１ａが実行するＥＢＳＰ法用の制御プログラムや他のシステムプログラム等を予め記憶すると共に、画像処理部１ｂの要求に応じて、電子線が走査上に照射された試料Ｘ上の各照射ポイント毎に得られた結晶方位を当該各照射ポイントの位置情報と共に記憶する。また、この記憶部１ｅは、図２に示す余寿命曲線データを予め記憶しており、破壊寿命判定部１ｄの要求に応じて、上記余寿命曲線データを破壊寿命判定部１ｄに出力する。表示部１ｆは、例えば液晶モニタであり、破壊寿命判定部１ｄから入力される余寿命表示信号を基に、ボイラー管の溶接継手部がクリープ破壊に至るまでの余寿命を表示する。
【００１９】
ＳＥＭ制御ユニット２は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、電子線照射部３の電子線照射動作を制御する。より具体的には、ＳＥＭ制御ユニット２は、電子線の照射エネルギ、照射タイミング、走査方向等を制御するものである。電子線照射部３は、電子銃３ａ、電子レンズ３ｂ、対物レンズ３ｃ及び走査コイル３ｄから構成されている。電子銃３ａは、ＳＥＭ制御ユニット２による制御の下、所定の加速電圧によって電子線を電子レンズ３ｂに出射する。電子レンズ３ｂは、電子銃３ａから入射された電子線を収束させて対物レンズ３ｃに出射する。対物レンズ３ｃは、電子レンズ３ｂから入射された電子線が試料Ｘ上で焦点を結ぶように当該電子線を試料Ｘ上の照射ポイントに照射する。上記電子レンズ３ｂと対物レンズ３ｃとの間には走査コイル３ｄが設けられており、当該走査コイル３ｄは、ＳＥＭ制御ユニット２の制御の下、対物レンズ３ｃに対する電子線の入射方向を変化させる。これにより電子線は、走査状に試料Ｘに照射されることになる。
【００２０】
真空チャンバ４は、上記電子線照射部３の直下に連結され、図示しない真空ポンプによって内部気圧を高真空状態まで降下可能なチャンバであり、試料用ステージ５及びカメラ７を内部に備えている。試料用ステージ５は、試料Ｘを載せるための円盤形状のステージであり、図示しない５軸制御モータによって５軸方向に駆動可能に真空チャンバ４の内部に設けられている。ここで５軸とは、ＸＹＺ方向とＲ方向（つまり試料用ステージ５の回転方向）と、Ｔ方向（つまり試料用ステージ５の傾斜方向）を指す。ステージ制御ユニット６は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、上記試料用ステージ５（具体的には５軸制御モータ）の駆動制御を行う。つまり、ステージ制御ユニット６は、５軸制御モータの駆動を制御することにより、試料用ステージ５の傾斜角や回転角、ＸＹＺ座標を制御する。
【００２１】
カメラ７は、例えば高感度ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）カメラ等であり、真空チャンバ４内部において電子線の照射方向に対して略垂直に設けられ、カメラ制御ユニット８の制御の下、試料Ｘに電子線が照射されることによって生じる電子後方散乱解析像を撮影し、当該電子後方散乱解析像を示す画像信号をカメラ制御ユニット８に出力する。カメラ制御ユニット８は、ＰＣ１における制御部１ａの制御の下、上記カメラ７の撮影タイミング、露光時間、焦点合わせ等の制御を行うと共に、カメラ７から入力される画像信号を画像処理部１ｂに出力する。
【００２２】
なお、本破壊寿命予測装置は従来のＳＥＭ装置を流用できるため、図示は省略したが、試料Ｘに電子線が照射されることで発生する２次電子を検出し、当該２次電子の発生量を輝度信号に変換してＰＣ１の制御部１ａに出力する２次電子検出部が真空チャンバ４内部に設けられており、制御部１ａは、当該２次電子検出部から入力される輝度信号に基づいてＳＥＭ画像を表示部１ｆに表示させる機能を備えている。
【００２３】
次に、このように構成された本破壊寿命予測装置を用いた破壊寿命予測処理手順について、図３のフローチャートを用いて以下説明する。
【００２４】
まず、所定の使用時間が経過したボイラー管の溶接継手部について、クリープ破壊の恐れがある検査対象領域の切片、つまり試料Ｘを採取する（ステップＳ１）。
ここで、溶接継手部の検査対象領域について説明する。例えば、図４に示すように、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管に溶接を施した場合、母材１０と溶接継手部１１との溶接部分には、溶接熱影響部（ＨＡＺ：Heat Affected Zone）１２が生じる。一般的に、クリープ破壊は、ＨＡＺ１２内に形成される細粒域１３において発生することが知られている。このような細粒域１３は、焼きならしマルテンサイト結晶粒及び焼き戻しマルテンサイト結晶粒が混在し、微細な組織構造となる領域であり、クリープボイドが発生しやすい。本実施形態では、検査対象領域を上記細粒域１３とし、当該細粒域１３から試料Ｘを採取する。実際の試験を行なう上では、ボイラー管外から表面部に出ているＨＡＺ１２から試料Ｘを採取して評価を行う。
【００２５】
続いて、試料Ｘの加工を行う（ステップＳ２）。ここで、試料Ｘの加工とは、まず、試料Ｘを試料用ステージ５に設置可能な大きさに切断した後、試料Ｘの表面に研磨もしくは電解研磨を施す。
【００２６】
次に、上記のように加工を終えた試料Ｘを試料用ステージ５に設置する（ステップＳ３）。具体的には、真空ポンプを操作して真空チャンバ４の内部を大気圧に戻し、試料挿入ロッドに試料Ｘを取り付け、真空チャンバ４に設けられた試料取入れ口（図示せず）より上記試料挿入ロッドを挿入し、試料Ｘを試料用ステージ５上に設置する。試料Ｘの設置が完了したら試料挿入ロッドを取り除き、真空ポンプを操作して真空チャンバ４の内部気圧を所定の気圧（高真空）まで降下させる。
【００２７】
続いて、電子線の照射開始位置を決定する（ステップＳ４）。この場合、本破壊寿命予測装置のＳＥＭ機能を用いる。つまり、電子線照射部３より電子線を試料Ｘに照射し、ＰＣ１の表示部１ｆに表示されるＳＥＭ画像を確認しながら所望の照射開始位置を決定する。ここで、５軸制御モータの操作により試料用ステージ５を、水平に対して７０°程度に傾斜させる。なお、本実施形態では、試料Ｘ上における電子線照射領域を２０μｍ×２０μｍの範囲とし、０．２μｍピッチで電子線を照射する。
【００２８】
そして、電子線の照射開始位置決定後、ＰＣ１においてＥＢＳＰ法用の制御プログラムを起動し、電子線の照射を開始する（ステップＳ５）。ＰＣ１（具体的には制御部１ａ）は、ＥＢＳＰ法用の制御プログラムに基づいてＳＥＭ制御ユニット２及びカメラ制御ユニット８を制御し、当該制御により電子線は上記電子線照射領域に０．２μｍピッチで走査状に照射され、当該照射によって生じる電子後方散乱解析像が各照射ポイント毎にカメラ７で撮影される。
【００２９】
カメラ７は、各照射ポイント毎に撮影した電子後方散乱解析像を示す画像信号をカメラ制御ユニット８を介して画像処理部１ｂに順次出力する。画像処理部１ｂは、上記のように入力される画像信号、つまり電子後方散乱解析像をＥＢＳＰ法に基づいて画像処理し、各照射ポイント毎の結晶方位を判定すると共に、当該結晶方位を各照射ポイントの位置情報と共に順次記憶部１ｅに順次記憶させる（ステップＳ６）。なお、上記電子線照射領域の大きさや走査ピッチ量は任意に設定可能である。
【００３０】
上記ステップＳ６において、電子線照射領域の全照射ポイントにおける結晶方位の判定が終了すると、画像処理部１ｂは、記憶部１ｅに記憶されている各照射ポイントの位置情報及び結晶方位を取得し、当該位置情報及び結晶方位を基に、電子線照射領域において、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界の分布データを生成し、当該結晶粒界分布データを平均結晶粒径算出部１ｃに出力する（ステップＳ７）。
【００３１】
図５に上記結晶粒界分布データの一例を示す。図５（ａ）は、初期状態、つまり未使用のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。図５（ｂ）は、寿命消費率６０％、つまりクリープ破壊寿命の６０％に相当する使用時間経過後のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。図５（ｃ）は、寿命消費率１００％、つまりクリープ破壊後のボイラー管の溶接継手部の試料Ｘから得られた結晶粒界分布データである。これらの図に示すように、クリープ環境下では、時間経過と共に、細粒域１３の結晶粒は大きくなる。つまり、結晶粒の大きさの変化とクリープ破壊寿命との間には、相関関係があることがわかる。
【００３２】
平均結晶粒径算出部１ｃは、上記のような結晶粒界分布データに基づいて、電子線照射領域における各結晶粒について結晶粒径（平均相当径）を算出し、これらを平均して平均結晶粒径を算出する（ステップＳ８）。そして、平均結晶粒径算出部１ｃは、当該平均結晶粒径を示す平均結晶粒径信号を破壊寿命判定部１ｄに出力する。
【００３３】
破壊寿命判定部１ｄは、上記平均結晶粒径信号と、記憶部１ｅに記憶されている図２に示す余寿命曲線データとに基づいて、クリープ破壊に至るまでの余寿命を判定する（ステップＳ９）。より具体的には、例えば、平均結晶粒径算出部１ｃにて算出された平均結晶粒径が４μｍであった場合、図２の余寿命曲線から寿命消費率は約６５％であることがわかる。つまり、クリープ破壊に至るまでのボイラー管の溶接継手部の余寿命は、クリープ破壊寿命の４５％と判定される。
【００３４】
破壊寿命判定部１ｄは、上記のように判定した余寿命を表示部１ｆに表示させるための、余寿命表示信号を表示部１ｆに出力する。表示部１ｆは、破壊寿命判定部１ｄから入力される余寿命表示信号を基に、ボイラー管の溶接継手部がクリープ破壊に至るまでの余寿命を表示する（ステップＳ１０）。
【００３５】
上記のように、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布データから平均結晶粒径を算出し、当該平均結晶粒径とクリープ破壊寿命との関係を示す余寿命曲線から余寿命を定量的に判定することができる。以下では、本実施形態において、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布データを求める理由について説明する。
【００３６】
図６は、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管を使用したクリープ破壊試験から得られた、結晶方位差が３°以上（符号２０）、１０°以上（符号２１）、１５°以上（符号２２）、３０°以上（符号２３）のそれぞれの結晶粒界分布について求めた余寿命曲線の実験データである。この図に示すように、結晶方位差が１５°以上の場合、特に必要な情報である寿命消費率４０％以降における平均結晶粒径の変化が最も大きい、すなわち、平均結晶粒径の変化に対する寿命消費率の応答性が良く、寿命予測精度が最も高い条件であることがわかる。
【００３７】
従って、本実施形態によれば、ＥＢＳＰ法を用いて評価対象物の表面組織の変化を検査することで破壊寿命を評価する場合において、従来と比べて精度良く、評価対象物の余寿命、つまりクリープ破壊寿命を予測することが可能である。また、上記のような平均結晶粒径は、試料表面の研磨状態や、破壊寿命予測装置に設けられたチャンバの真空度、破壊寿命予測装置の振動等、各種測定条件のバラツキに依存しない再現性の高いパラメータであるので、現場レベルでの対応が可能であり、実用性の向上を図ることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
【００３９】
（１）上記実施形態では、評価対象物として、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼からなるボイラー管を例示して説明したが、これに限定されず、他の高Ｃｒ系材料からなる金属部品であれば本発明は適用可能である。また、高Ｃｒ系材料以外であっても、ＥＢＳＰ法でなければ確認できない程微細な組織構造をとり、且つクリープ破壊の進行に応じて、結晶粒径が変化するような材料であれば、本発明は適用可能である。
【００４０】
（２）上記実施形態では、結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布から平均結晶粒径を算出したが、これに限定されず、図６に示す他の条件（結晶方位差が３°以上、１０°以上、３０°以上）を使用しても良い。これらの条件を使用した場合、余寿命の予測精度は若干低下するが、従来と比べた場合、図６に示すように、寿命消費率４０％以降における平均結晶粒径の変化が大きいので、予測精度の向上に寄与することができる。
また、上記結晶方位差は６２．８°以内であれば、これを使用しても良い。この６２．８°とは、ＥＢＳＰ法を行なうにあたっての最大角度θｍａｘであり、ＥＢＳＰ法における立方晶間の方位関係の傾向を示すＭａｃｋｅｎｚｉｅプロットにおける下記（１）式から求められる。
θｍａｘ＝ｃｏｓ−１｛（２＋√２）／４｝＝６２．８° ・・・・・（１）
【００４１】
（３）上記実施形態では、クリープに起因する破壊寿命を予測する場合について説明したが、これに限定されず、ＥＢＳＰ法でなければ確認できない程微細な組織構造をとり、且つ時間の経過と共に結晶粒径が変化するような特徴を有する破壊原因であれば、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置の構成概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置にて使用する余寿命曲線である。
【図３】本発明の一実施形態係る破壊寿命予測手順を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る評価対象物の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る破壊寿命予測装置にて得られる結晶粒界分布の一例である。
【図６】本発明の一実施形態に係る各種条件に対応する余寿命曲線の実験データである。
【図７】従来技術で使用される平均結晶方位差と寿命消費率との関係を示す特性曲線である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ＰＣ（Personal Computer）、１ａ…制御部、１ｂ…画像処理部、１ｃ…平均結晶粒径算出部、１ｄ…破壊寿命判定部、１ｅ…記憶部、１ｆ…表示部、２…ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）制御ユニット、３…電子線照射部、４…真空チャンバ、５…試料用ステージ、６…ステージ制御ユニット、７…カメラ、８…カメラ制御ユニット、Ｘ…試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、
前記試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像
を撮影する撮影手段と、
当該撮影手段によって撮影された電子後方散乱解析像を画像処理することにより前記試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、
前記結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、
事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線
と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象
物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、
当該破壊寿命判定手段による破壊寿命の判定結果を出力する出力手段と
を具備することを特徴とする破壊寿命評価装置。
【請求項２】
前記画像処理手段は、前記試料の所定領域における結晶方位差が１５°以上の結晶粒界
分布を生成し、
前記平均結晶粒径算出手段は、前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布に基づいて
平均結晶粒径を算出し、
前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布
に基づいて得られる平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、
前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて前記評価対象物の破
壊寿命を判定することを特徴とする請求項１記載の破壊寿命評価装置。
【請求項３】
前記評価対象物は、高Ｃｒ系材料の溶接継手部であることを特徴とする請求項１または
２記載の破壊寿命評価装置。
【請求項４】
前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物のクリープ破壊寿命を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の破壊寿命評価装置。
【請求項１】
評価対象物の試料に対して電子線を走査しながら照射する電子線照射手段と、
前記試料に照射された電子線が後方散乱することで形成された電子後方散乱解析像
を撮影する撮影手段と、
当該撮影手段によって撮影された電子後方散乱解析像を画像処理することにより前記試料の所定領域における結晶粒界分布を生成する画像処理手段と、
前記結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出する平均結晶粒径算出手段と、
事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線
と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象
物の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段と、
当該破壊寿命判定手段による破壊寿命の判定結果を出力する出力手段と
を具備することを特徴とする破壊寿命評価装置。
【請求項２】
前記画像処理手段は、前記試料の所定領域における結晶方位差が１５°以上の結晶粒界
分布を生成し、
前記平均結晶粒径算出手段は、前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布に基づいて
平均結晶粒径を算出し、
前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記結晶方位差が１５°以上の結晶粒界分布
に基づいて得られる平均結晶粒径と前記評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線と、
前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて前記評価対象物の破
壊寿命を判定することを特徴とする請求項１記載の破壊寿命評価装置。
【請求項３】
前記評価対象物は、高Ｃｒ系材料の溶接継手部であることを特徴とする請求項１または
２記載の破壊寿命評価装置。
【請求項４】
前記破壊寿命判定手段は、事前に求めた、前記平均結晶粒径と前記評価対象物のクリープ破壊寿命との関係を示す特性曲線と、前記平均結晶粒径算出手段にて算出された平均結晶粒径とに基づいて、前記評価対象物のクリープ破壊寿命を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の破壊寿命評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２４８３９０（Ｐ２００７−２４８３９０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７５２７３（Ｐ２００６−７５２７３）
【出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人日本鉄鋼協会発行の「材料とプロセス Ｖｏｌ．１８（２００５）Ｎｏ．６」に発表
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人日本鉄鋼協会発行の「材料とプロセス Ｖｏｌ．１８（２００５）Ｎｏ．６」に発表
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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